فصل 1
« پردازش سیگنال دیجیتال و سیستم های DSP »:
سیستم پردازش سیگنال به هر سیستمی گفته می شود که از این دانش بهره می برد . پردازش سیگنال دیجیتال کاربرد اعمال حسابی بر روی سیگنالها می باشد که بصورت رقمی نمایش داده می شوند سیگنالها همانند دنباله ای ازنمونه هانشان داده می شوند.غالباًاین نمونه ها ازسیگنالهای فیزیکی ( همانند سیگنالهای صوتی ) با استفاده از تراگردانها ( همانند میکروفن ) و مبدلهای A/D بدست می آیند . بعد از پردازش حسابی،سیگنالهای دیجیتال می بایست توسط مبدلهای D/A به سیگنالهای فیزیکی تبدیل شوند .
DSP در بعضی از سیستم ها برای اعمال سیستم نقش کانونی دارد.مثلاً مودمهاوتلفن های سلولی دیجیتال بطور قابل ملاحظه ای بر اساس فن آوری های DSP طراحی می شوند . در محصولات دیگر نقش DSP از مرکزیت کمتری برحوردار است اما اغلب در موارد کارایی ، ویژگیها و هزینه از مزایای بسیار مهم و قابل رضایتی برخوردار می باشد . مثلاً سازندگان قطعات آنالوگ همانند تقویت کننده های صوتی در حال بکارگیری فن آوری های DSP جهت کیفیت بهتر
می باشند .
بخش چشم اندازی کلی بر پردازش سیگنال است . ابتدا در مورد مزیت DSP بر سیستم آنالوگ بحث شده سپس بعضی از ویژگیها و مشخصات سیستم های DSP بصورت کلی بررسی می شود.درپایان نتیجه گیری با نگرشی خلاصه به بعضی ازکلاسهای مهم کاربردهای DSP انجام می شود .
مزایای DSP :
پردازش سیگنال دیجیتال نسبت به آنالوگ چندین مزیت دارد . مهمترین مزیت این است که سیستم های DSP قادرند وظایف سنگینی را که تحقق آنها به کمک الکترونیک آنالوگ پیچیده و یا غیرممکن خواهد بودپیاده سازی کنند.مثال این کاربردهاسنتزگفتار، تشخیص گفتار و مودمهای سرعت بالا می باشد که از کدینگ تصحیح خطا بهره می برند. همه این وظایف ترکیبی از پردازش سیگنال و کنترل می باشند که غالباً پیاده سازی آنها توسط فن آوری های آنالوگ پیچیده است . علاوه بر این سیستم های DSP نسبت به آنالوگ دو مزیت اضافی نیزدارند :
« عدم حساسیت به محیط » : سیستم های دیجیتال به تغییرات شرایط محیطی کمتر حساس می باشند . رفتار مدار آنالوگ بسته به دما است . در مقایسه عمل سیستم DSP به محیط آن (خشک یا مرطوب ) وابسته نمی باشد . در هر صورت سیستمDSP پاسخ یکسانی خواهد بود .
«عدم حساسیت به تغییر عناصر » : قطعات آنالوگ با تلورانس همراهند . پاسخ کلی یک سیستم آنالوگ به مقادیر داخلی اش وابسته است . بنابراین دوسیستم آنالوگ که بطوردقیق همانند یکدیگرطراحی شده باشند بسته به تغییرعناصرشان پاسخهای متفاوتی خواهند داشت.در مقایسه عناصر دیجیتال همواره خروجیهای مشابه برای ورودی های مشابه تولید خواهند کرد .
این دو مزیت بصورت زیر نیز بیان می شوند :
« رفتارتکرار پذیر و پایدار» : از آنجاییکه خروجی سیستم DSP به عوامل محیطی یا تغییر عناصر حساس نمی باشد لذا این امکان وجود دارد که سیستم هایی با پاسخهای شناخته شده ، دقیق وثابت داشته باشیم.نهایتاً بعضی ازسیستم های DSP ممکن است دو مزیت دیگر نیز نسبت به آنالوگ داشته باشند.
« قابلیت برنامه ریزی » : اگریک سیستمDSP براساس پردازنده های برنامه پذیر طراحی شود ، می توان آن را مجدداً برنامه ریزی نمود بطوریکه وظایف دیگری را انجام دهد . در مقایسه سیستم های آنالوگ ازلحاظ فیزیکی به عناصرمتفاوتی نیازداشته تا وظایف متفاوتی را انجام دهند .
« اندازه » : اندازه اجزاء آنالوگ بسته به مقادیرشان متغیر است . برای مثال یک خازن MF 100که در فیلتر آنالوگ استفاده می شود از خازن PF 10 که در فیلتر دیگری بکار می رود بزرگتر است.اما ممکن است تحقق دیجیتال هردو فیلتراندازه مشابه ای داشته باشد . حتی ممکن است از سخت افزار یکسانی که تنها در ضرایب فیلتر متفاوت است استفاده شود .گاهگاهی ممکن است این پیاده سازی از هر دو تحقق آنالوگ نیز کوچکتر باشد .
این مزایا و توجه به فرآیندهای ساخت IC با استفاده از فن آوریهای DSP و مزیت آن در این فن آوری منجربه این واقعیت می شودکهDSP انتخاب وراه حلی مناسب وبهینه برای پردازش سیگنال به حساب آید .
مشخصات سیستم های DSP :
در این بخش برخی از مشخصات عمومی در همه سیستم های DSP نظیر الگوریتم ها،نرخ نمونه برداری ، نرخ CLOOK و انواع حساب توصیف می شوند .
الگوریتم ها :
سیستم های DSP اغلب به وسیله الگوریتم هایی که بکار می برند ، مشخص می شوند . الگوریتم اعمال حسابی را که می بایست انجام شوند ، مشخص کرده اما نحوه پیاده سازی آن محاسبات رامعلوم نمیکند.ممکن است درنرم افزارو بروی یک ریزپردازنده معمولی یا ریزپردازنده سیگنال قابل برنامه ریزی پیاده سازی با توجه به نیازمندیهای سرعت و دقت حسابی می باشد. جدول ( 1-1 ) بعضی از انواع عمومی الگوریتم های DSP و برخی از کاربردهایی را که عموماً این الگوریتم ها در آنها اسنفاده می شوند نشان می دهد .
نرخ نمونه برداری :
مشخصه کلیدی یک سیستم DSP نرخ نمونه برداری آن است . نرخی که در آن نمونه ها گرفته ، پردازش و یا تولید می شوند.با توجه به پیچیدگی الگوریتم،نرخ نمونه برداری سرعت مورد نیاز را در فن آوری پیاده سازی معین می کند . یک مثال معروف پخش CD صوتی می باشد که در آن نمونه ها با نرخ 44.1 کیلو هرتز روی دو کانال تولید می شوند .
البته یک سیستم DSP ممکن است بیشتر از یک نرخ نمونه برداری داشته باشد . به این قبیل سیستم ها، سیستم های DSP چند نرخی گفته می شود . مثال آن تبدیل نرخ نمونه های CD از 44.1KHZ به نرخ نوار صوتی دیجیتال یا 48KHZ می باشد . بدلیل پیچیدگی نسبت بین این نرخ ها ، معمولاً تبدیل در مراحلی انجام می شود ( معمولاً با حدفاصل حداقل دو نمونه ) مثال دیگر الگوریتم چند نرخی یک بانک فیلتر است که در کاربردهایی نظیر کدکردن صدا، ویدئو و گفتار استفاده می شود . بانکهای فیلتر معمولاً شامل مراحلی هستند که سیگنال را به بخشهای فرکانس بالا و پایین تقسیم می کنند. آنگاه این سیگنالهای جدید با نرخ کمتر نمونه برداری شده مجدداً تقسیم می شوند . در کاربردهای چند نرخی نسبت بین بالاترین و پایین ترین نرخ نمونه برداری در سیستم می تواند کاملاً بزرگ باشد. گاهگاهی به 000،100 ممکن است برسد .
محدوده نرخ های نمونه برداری که درسیستم های پردازش سیگنال وجود داردوسیع است در شکل ( 1-1 )کلاسهای کاربردها بهمراه پیچیدگی الگوریتم و نرخ نمونه برداری افزایش
می یابد . الگوریتم هایی که در نرخ های بالاتر استفاده می شوند به نظر می رسد که ساده تر از آنهایی باشند که در نرخ کمتر بکار می روند .
بسیاری از سیستم های DSP می بایست با سرعت بسیار بالا کار کنند چرا که بتوانند روی بخشهای طولی سیگنالهای ورودی به صورت بلادرنگ عملیات انجام دهند . انواع دیگر سیستم ها
( همانند پایگاه داده ) ممکن است به کارایی متوسطی نیاز داشته باشند . سیستم های بلادرنگ با هر دو هدف یعنی سرعت و کارایی مناسب طراحی می شوند . در این قبیل سیستم ها تغییر نرخ پردازش مورد نیاز باعث بد عمل کردن سیستم می شود.به این قبیل سیستم ها اغلب « فرآیندهای بلادرنگ با قیدهای پیچیده » نیز گفته می شود . برای مثال فرض کنیم مبدل نرخ CD صوتی به نوار صوتی همانند سیستم بلادرنگ پیاده سازی شود . مبدل بایستی نمونه جدید را از CD در هر 22.6MS بگیرد و نمونه خروجی را برای نوار صوتی در هر 20.8NS تولیدکند اگر سیستم نتواند نمونه ها را با این ترتیب بگیرد و بفرستد،داده ها از بین رفته سیگنال خروجی دچار نویز
می شود . نیاز به رویارویی با این قبیل قیدهای بلادرنگ ، مطالبات ویژه ای را در طراحی و اشکال زدایی سیستم های DSP بلادرنگ بوجود می آورد .
نرخ CLOCK :
سیستم های الکترونیک دیجیتال اغلب توسط نرخهای ساعت مورد نیازشان مشخص
می شوند . نرخ ساعت معمولاً به نرخی گفته می شود که در آن سیستم اساسی ترین وظایفش را انجام می دهد . در محصولات تجاری نرخ ساعت تا 100MHZ عمومی است . هرچند در بعضی از محصولات بسیار کار این نرخ سریعتر می شود.درسیستم هایDSP نسبت نرخ ساعت سیستم یکی از مهمترین مشخصات است که جهت چگونگی پیاده سازی سیستم استفاده می شود . ارتباط بین نرخ ساعت و نرخ نمونه مقدار سخت افزار مورد نیاز را برای پیاده سازی یک الگوریتم داده شده ( با توجه به پیچیدگی بلادرنگ ) تعیین می کند . با افزایش نسبت نرخ نمونه برداری به نرخ ساعت مقداروپیچیدگی سخت افزارمورد نیاز برای پیاده سازی الگوریتم نیز افزایش می یابد .
نمایشهای عددی :
1
256
اعمال حسابی از قبیل جمع و ضرب در قالب الگوریتمها و سیستم های DSP هستند . بنابراین نمایشهای عددی و نوع حسابی که استفاده می شود ، می تواند در رفتار و کارایی یک سیستمDSP تاثیرگذار باشد.عمومی ترین انتخاب برای طراحان حساب مسیر ثابت یا ممیز شناور می باشد . حساب ممیز ثابت اعداد را در محدودثابت 1-تا 1+ با تعداد معینی بیت که عرض کلمه نامیده می شود ، نشان می دهد . برای مثال یک عدد 8 بیتی دقت تفکیکی دارد . اعمال حسابی که نتایجی خارج از محدوده عددی داشته باشند اصطلاحاً اشباع خواهند شد . حساب ممیز شناور محدوده قابل نمایش مقادیر را گسترش می دهد . هر عدد در دو بخش نمایش می یابد : یک ماشین و یک مفسر . ماشین بین 1- تا 1+ و مفسر بعنوان نما می توان دو تلقی
می شود . در حقیقت داریم : 2 enponent×Value = mantissa
حساب ممیز شناور محدوده دینامیک ( نسبت بین بزرگترین و کوچکترین مقادیری که
می توانند نمایش داده شوند )بزرگتری نسبت به ممیز ثابت دارد، از آن جاییکه این حساب احتمال سر ریز و مقیاس بندی را کمتر می کند لذا می تواند بطور قابل ملاحظه ای طراحی نرم افزار و الگوریتم را ساده سازد . بنابراین حساب ممیز شناور عموماً ازحساب ممیز ثابت کندتر و پیچیده تر بوده پیاده سازی آن نیز دشوارتر است .
کلاسهای کاربردهای DSP :
پردازش سیگنال دیجیتال بطور عام و پردازنده های DSP بطور خاص در محدوده وسیعی از کاربردها استفاده می شوند . از سیستم های رادار گرفته تا مصارف معمولی الکترونیک . طبیعتاً هیچ پردازنده ای نمی تواند نیازمندیهای همه و یا اکثر کاربردها را برآورده سازد . بنابراین اولین وظیفه طراح انتخاب یک پردازنده است بطوریکه تواماً کارایی،هزینه ، قابلیت مدار مجتمع ، آسانی توسعه،مصرف توان ودیگر ویژگیهای مناسب را برای کاربرد در دست داشته باشد. جدول ( 1-2 ) برخی از کلاسهای کاربردی را نشان می دهد .
سیستم های محاط شده کم هزینه :
بزرگترین کاربردها ( از نظر هزینه ) در پردازش سیگنال دیجیتال سیستم های محاط شده پرحجم و ارزان نظیر تلفن های سلولی ، مودمها و دیسک درایوها ( که DSP برای سرو کنترل می شود ) می باشند.دراین کاربردها هزینه و ملاحظات مدار مجتمع برتر می باشند . در محصولات قابل حمل مصرف توان حائز اهمیت است . در کاربردهای محاط شده پرحجم کارایی و ملاحظات آسانی توسعه غالباً کمتر مورد توجه هستند .
کاربردهای بسیار کارا :
درکلاس دیگری از کاربردها حجم پردازش داده زیاد و الگوریتم های پیچیده برای نیازهای ویژه وجود دارند.رادار، سونار و تحلیل سیگنال زلزله از این نوع می باشند . در این کاربردها حجم تولیدات کمتر،محاسبات درالگوریتمها بیشتر و طراحی محصول پیچیده تر است . بنابراین طراحان به پردازنده هایی توجه دارندکه تواماًکارایی ماکزیمم، آسانی بکارگیری وپشتیبانی چندپردازنده ای را داشته باشند .
چند رسانه ای در PC :
کلاس جدیدتری از کاربردها قابلیتهای چند رسانه ای در PC می باشد .پردازنده های DSP بطور روزافزونی در PC جهت انجام وظایف گوناگونی نظیر پست صوتی، مودمهای تصویری و داده ای،سنتزگفتاروفشرده سازی تصویر استفاده می شوند.همانندکاربردهای محاط شده پرحجم ، چند رسانه ای در PC هر چند در بعضی دیگر از کاربردهای چندرسانه ا ی ممکن است کارایی بیشتری نیاز باشد بطوریکه پردازنده DSP بتواند چندین وظیفه را به صورت همزمان و بلادرنگ انجام دهد.علاوه براین پردازنده می بایست بتواندبین وظایف گوناگون سوئیچ کند.همچنین ممکن است ظرفیت حافظه در این کاربردها مورد توجه باشد چرا که اکثر کاربردهای چند رسانه ای به قابلیتی نیاز دارند که بتواند حجم انبوهی از داده ها را مدیریت کند .
فصل 2
« پردازنده های DSP » :
در فصل قبل پردازش سیگنال دیجیتال با توجه به مبانی سیستم های DSP و حوزه های کاربردی بطور خلاصه توصیف شد . در این بخش با یک توصیف کلی ویژگی های عمومی که در اکثر پردازنده های DSP وجود دارند ، مطرح می شوند .